LabVIEW超声换能器成像

​LabVIEW 开发超声换能器成像系统，实现 A-mode、B-mode、C-mode 成像及水听器拓展功能，可满足医疗诊断、工业无损检测等场景下超声换能器性能测试需求，通过实验验证系统精度与可靠性，为超声成像技术研究提供高效测试平台。

应用场景

1. 医疗诊断领域：可对用于产科、妇科、泌尿外科等临床检查的超声换能器进行性能测试，如检测换能器的中心频率、带宽等参数，确保其生成的医学影像清晰、准确，为疾病诊断提供可靠依据。

2. 工业无损检测领域：应用于航空工业、核工业、特种设备制造等领域，对检测材料内部缺陷的超声换能器进行声场特性、空间分辨率等指标测试，保障检测结果的准确性，避免因换能器性能问题导致漏检、误检。

3. 科研实验领域：为声场调制、声镊粒子抓取等前沿超声理论研究提供实验平台，可测量声场传播过程、多频率下声场幅值与相位，助力科研人员验证理论正确性，推动超声技术创新发展。

（二）数据采集模块

选用 NI PCIe-6363 高速数据采集卡，该采集卡拥有 16 位采样分辨率，采样率最高可达 2MS/s，具备 4 路模拟输入通道，支持多通道同步采集，能精准捕获超声换能器的回波信号。卡载 64MB 板载内存，可实现数据缓存，避免数据丢失，同时支持多种触发模式，如边缘触发、电平触发等，满足不同测试场景下的数据采集需求。此外，NI 作为虚拟仪器领域的知名品牌，其采集卡与 LabVIEW 软件有良好的兼容性，可直接调用相关驱动与函数库，简化程序开发流程。

（三）外部激励模块

1. 脉冲信号激励源：选用泰克 AFG3102C 函数信号发生器，该设备可输出频率范围为 1μHz-200MHz 的脉冲信号，脉冲宽度可调，能满足不同中心频率超声换能器的激励需求。其输出信号幅值精度高，失真度低，可提供稳定的激励信号，保障超声换能器产生稳定的声场。同时，设备支持 USB、LAN 等多种通信接口，便于通过 LabVIEW 软件远程控制参数设置。

2. 功率放大器：搭配安捷伦 8447F 功率放大器，该放大器带宽为 10kHz-1GHz，输出功率可达 50W，能将函数信号发生器输出的弱信号放大，满足高功率超声换能器的激励要求。放大器具备完善的保护功能，如过流保护、过温保护等，可避免因输出功率过大损坏换能器与其他设备，保障系统安全稳定运行。

（四）水听器

选用 Precision Acoustic 公司的 NH 系列针式水听器，该水听器采用 PVDF 压电材料，频率响应范围为 0.1-30MHz，灵敏度高，能精准接收声场中的声压信号并转换为电信号。水听器探头直径最小可达 0.2mm，空间分辨率高，可实现对声场细节的测量，同时配备专用前置放大器，能有效放大微弱信号，减少噪声干扰，保障测量数据的准确性。

软件架构

（一）整体架构设计

系统软件采用 "标准状态机 + 队列消息处理器 + 用户界面事件处理器" 的复合主从设计模式，基于 LabVIEW 开发。主端负责接收用户操作指令，通过队列将指令发送至从端；从端根据指令执行相应功能，如运动控制、数据采集、数据处理等；用户界面事件处理器实时响应前面板控件操作，触发对应的事件处理流程。

（二）具体功能实现

1. 运动控制功能：在 LabVIEW 中调用研华 PCI-1245 运动控制卡的驱动函数库，通过编写 VI 程序实现电机的运动参数配置（如运动速度、加速度、目标位置等）、运动状态监测（如当前位置、速度、运行状态等）。利用状态机逻辑，实现电机的定长运动、连续运动、多轴联动等功能，同时通过队列消息处理器协调运动控制与其他模块的工作时序，确保运动与数据采集同步进行。

2. 数据采集功能：调用 NI PCIe-6363 采集卡的 LabVIEW 驱动，配置采样率、采样点数、触发方式等参数。采用 FIFO 缓存机制，将采集到的超声回波信号实时存储至计算机内存，避免数据丢失。同时，通过多线程编程，实现数据采集与数据预处理（如滤波、放大等）并行执行，提高数据采集效率。

3. 成像功能

• • A-mode 成像：对采集到的回波信号进行时域分析，提取信号幅值与时间信息，在 LabVIEW 前面板绘制时间 - 幅值曲线。通过添加游标功能，可选取感兴趣的信号段进行频谱分析，计算换能器的中心频率、带宽等参数。

  • B-mode 成像：将 A-mode 信号的幅值转换为灰度值，通过 LabVIEW 的图形显示控件实现二维断面成像。采用 TDMS 文件格式存储大量采集数据，该格式支持高效的数据读写与检索，便于后续数据处理与图像重建。同时，运用希尔伯特变换对信号进行包络提取，优化图像质量，增强图像对比度。

  • C-mode 成像：在 B-mode 成像基础上，通过控制电机实现多断面扫描，采集不同深度的 B-mode 图像数据。利用 LabVIEW 的数组处理功能，将多断面数据重组为三维数据矩阵，再通过三维图形显示控件实现三维表面成像，可选取任意深度的断面进行观察与分析。

1. 水听器拓展功能

• • 多频率声场测量：对水听器采集到的时域信号进行 FFT 变换，将信号转换至频域，提取不同频率点的幅值与相位信息。通过 LabVIEW 的频谱分析工具，实现多频率声场幅值与相位的同时成像，并可实时调整频率间隔，满足不同测试需求。

  • 声场传播过程测量：设置不同的时间间隔，采集同一位置在不同时间的声场信号，记录信号幅值随时间的变化。利用 LabVIEW 的时序控制功能，按时间顺序拼接不同时刻的声场图像，形成声场传播动态视频，直观展示声场的传播过程。

问题与解决

（一）运动与数据采集同步问题

1. 问题描述：在系统测试过程中，发现电机运动与数据采集存在时间差，导致采集到的超声信号与对应的空间位置不匹配，影响成像精度。

2. 原因分析：运动控制卡与数据采集卡分别由不同的时钟源控制，时钟信号的微小差异会随着时间累积导致同步误差；同时，上位机发送指令到硬件执行存在一定的延迟，且延迟时间不稳定，进一步加剧了同步问题。

3. 解决方法：采用硬件触发同步方式，利用研华 PCI-1245 运动控制卡的输出触发信号，连接至 NI PCIe-6363 采集卡的外部触发输入端口。当电机运动到目标位置时，运动控制卡输出触发信号，触发采集卡开始采集数据，确保运动与采集在硬件层面实现同步。同时，在 LabVIEW 程序中添加延迟补偿算法，通过多次实验测量指令延迟时间，建立延迟补偿模型，对电机运动指令与采集指令的发送时间进行修正，进一步提高同步精度。

（二）数据量大导致的存储与处理问题

1. 问题描述：B-mode、C-mode 成像与水听器拓展功能测试会产生大量数据（如 C-mode 成像单次测试数据量可达数十 GB），传统的数据存储方式（如 TXT、Excel 格式）读写速度慢，无法满足实时存储需求；同时，大量数据的实时处理会占用过多计算机资源，导致系统运行卡顿，甚至出现程序崩溃。

2. 原因分析：TXT、Excel 格式为文本文件格式，数据存储效率低，读写过程中需要进行大量的格式转换，耗时较长；而数据处理过程中，如 FFT 变换、图像重建等算法计算量大，单线程处理无法及时完成数据处理任务，导致数据堆积。

3. 解决方法：采用 TDMS 文件格式存储数据，该格式为二进制文件格式，数据存储密度高，读写速度快，支持多通道数据的同步存储与检索，同时可添加数据属性信息（如采集参数、测试时间等），便于后续数据管理。在数据处理方面，利用 LabVIEW 的多线程技术，将数据采集、数据存储、数据处理分配到不同的线程中并行执行，同时调用 LabVIEW 的 GPU 加速函数库，将 FFT 变换、矩阵运算等计算密集型任务交由 GPU 处理，提高数据处理速度，缓解计算机 CPU 资源占用压力。

（三）水听器测量相位误差问题

1. 问题描述：在水听器测量声场相位过程中，发现测量结果与理论值存在较大误差，且误差不稳定，影响声场相位分布的准确分析。

2. 原因分析：水听器探头的安装角度偏差会导致接收的声压信号与实际声场相位存在偏移；前置放大器的噪声干扰会对微弱的相位信号产生影响；同时，信号传输过程中电缆的阻抗不匹配会导致信号反射，引入相位误差。

3. 解决方法：首先，设计专用的水听器夹具，通过高精度角度调节机构调整水听器探头的安装角度，确保探头轴线与声场传播方向一致，减少角度偏差带来的相位误差。其次，在前置放大器输入端添加低噪声滤波电路，选用低噪声运算放大器，降低噪声干扰；同时，采用屏蔽电缆传输信号，减少外部电磁干扰对相位信号的影响。最后，对信号传输电缆进行阻抗匹配设计，在电缆两端添加匹配电阻，避免信号反射，确保相位信号准确传输。通过以上措施，可将相位测量误差控制在 ±5° 以内，满足测试需求。